DE1623319A1

DE1623319A1 - Device for determining the thickness of air permeable layers

Info

Publication number: DE1623319A1
Application number: DE19671623319
Authority: DE
Inventors: Gerhard Spingath
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-06-22
Filing date: 1967-06-22
Publication date: 1971-03-18

Description

@Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von luftdurchlässigen Schichten" Die vorliegende erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von lichtdurchlässigen Schichten mit einer Interferenz-Methode, bei der die Lichtst, rahlen einen vorgegebenen Weg nehmen. @Device for determining the thickness of air-permeable layers " The present invention relates to a device for determining the thickness of translucent layers with an interference method in which the light take a predetermined path.

Eine Me#vorrichtung dieser Art gewinnt besonders bei der Entwicklung und Herstellung von Halble#erbauelementen große Bedentung, da hier häufig sehr dünne Schichten aus lichtdurchlässigen isolierenden Materialien gemessen werden müssen.A measuring device of this type wins especially in development and the manufacture of semi-structural elements is very important because they are often very thin Layers of translucent insulating materials must be measured.

Es handelt sich dabei beispielsweise um Schichten aus-Silizii-dioxyd auf Silizium- oder Germanium-Kristallen, wobei die Dicke dieser Schichten teilweise oft nur 10 nm beträgt.These are, for example, layers of silicon dioxide on silicon or germanium crystals, the thickness of these layers being partial is often only 10 nm.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Messung dünner Schichten bekannt, bei der monochromatisches Licht durch das Objektiv eines Auflichtmikroskopes auf die zu messende Schicht trifft.A device for measuring thin layers is already known, in the case of monochromatic light through the objective of a reflected light microscope hits the layer to be measured.

Gangunterschiede zwischen dem an der Oberfläche und dem an der Rückseite der Schicht reflektiertem Licht führen zu Interferenzerscheinungen. Die durch die Interferenz beeinflußte Intensität des reflektierenden Lichtes -wird dann im Strahlengang des Mikroskops durch einen Photowiderstand gemessen.Path differences between that on the surface and that on the back light reflected from the layer lead to interference phenomena. The through the Interference-influenced intensity of the reflected light - is then in the beam path of the microscope measured by a photoresistor.

Nach aus der Optik bekannten Gleichungen läßt sich dann hieraus die Schichtdicke berechnen. Allzu genaue Heßergebw nisse kann jedoch diese Vorrichtung nicht liefern, da besonders durch die nicht achsennahen Strahlen starke Verfälschungen der Meßergebnisse auftreten. Uberdies ist eine Messung von sehr kleinen Strukturen mit dieser Vorrichtung wegen der schlechten Lichtausbeute nahezu ganz unmöglich.According to equations known from optics, the Calculate layer thickness. However, this device can be too precise not deliver, because of the strong falsifications, especially due to the rays that are not close to the axis of the measurement results occur. It is also a measurement of very small structures with this device almost completely impossible because of the poor light output.

Die vorliegende Erfindung betrifft im Gegensatz dazu eine Vorrichtung, die ebenfalls nach einer Interferenz-Methode arbeitet, jedoch die oben genannten Nachteile nicht aufweist.In contrast, the present invention relates to a device which also works according to an interference method, but the ones mentioned above Does not have any disadvantages.

Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet1 daß für das oei der Messung verwendete Licht der Weg wenigstens teilweise durch einen Leiter mit lichtleitenden Eigenschaften vorgegeben ist.This device is characterized1 that for the oei the Measurement used light the path at least partially through a conductor with light-conducting Properties is given.

Der wesentliche Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß sie eine Dickenmessung von lichtdurchlässigen Schichten selbst bei sehr kleinen Strukturen mit hoher Genauigkeit und guter Lichtausbeute zuläßt.The main advantage of this device is that it a thickness measurement of translucent layers even with very small structures with high accuracy and good light yield.

Beispielsweise ist die erfindungsgemä#e Verrichtung so ausgeführt, da# mit diesem Lichtleiter für das von der Quelle auf die Meßprobe auftreffende'Licbt - die Meßprobe kann dabei aus dem eigentlichen Meßobjekt oder einem Vergleichsobjekt bestehen - und für das von dort reflektierte Licht optisch voneinander unabhängige Lichtwege bestimmt werden, Um eine Vergleichsmessung zu ermöglichen, wird dann diese Vorrichtung beispielsweise in -doppelter Ausführung vorgesehen sein. Ein Me#system dient dann zur Bestimmung des eigentlichen Meßobjektes, der lichtdurchlässigen Schicht auf einem Trägerkörper, während das andere System gleichzeitig die Vergleichsmessung gestattet. Die Intensität des reflektierenden Lichtes wird dann beispielsweise in beiden Systemen mit je einem Photometer bestimmt, wobei jedoch auch andere Ausführungsformen durchaus denkbar sind. So kann zum Beispiel bei Verwendung einer speziellen Umschaltvorrichtung einem für beide Systeme gemeinsamen Photometer wechselweise das vom Meßobjekt und das vom Vergleichsobjekt reflektierte Licht zur Messung angeboten werden. Selbstverständlich werden bei diesen Vorrichtungen Vergleich- und Meßobjekt von einer einzigen Lichtquelle bestrahlt, so daß Intensitätsschwankungen der Lichtquelle selbst durch die Vergleichsmessung kompensiert werden.For example, the performance according to the invention is carried out in such a way that da # with this light guide for the light incident on the sample from the source - The test sample can be taken from the actual test object or a comparison object exist - and optically independent of each other for the light reflected from there Light paths are determined, in order to enable a comparison measurement, this Device for example be provided in -duplicate design. A Me # system then serves to determine the actual measurement object, the light-permeable layer on one support body, while the other system is simultaneously performing the comparative measurement allowed. The intensity of the reflecting light is then, for example, in Both systems are determined with one photometer each, although other embodiments are also possible are quite conceivable. For example, when using a special switching device a photometer common to both systems alternately that of the measurement object and the light reflected by the comparison object can be offered for measurement. Of course In these devices, the reference and measurement object are provided by a single light source irradiated, so that intensity fluctuations of the light source itself due to the comparison measurement be compensated.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren 1 bis 4 im folgenden näher erläutert.The present invention is explained below with reference to FIGS. 1 to 4 explained in more detail.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist die Vorrichtung nach der Erfindung so atfgebaut, daß das Licht der -Quelle 1 von der Linse 2 gebiindelt wird. Dabei ist der Schnittpunkt für die gebündelten Lichtstrahlen so gewählt, daß er auf der Stirnfläche 3 des Lichtleiters 4 liegt.In the embodiment of Figure 1, the device is according to The invention is so built that the light from the source 1 is bundled by the lens 2. The point of intersection for the bundled light rays is chosen so that it lies on the end face 3 of the light guide 4.

Über diesen Lichtleiter gelangt der Lichtstrom an die Meßprobe, die aus dem Körper 5 mit der lichtdurchlässigen Schicht 6 besteht. Oft ist es auch zweckmäßig eine Vergleichsmessung durchzuführen, wobei dann beispielsweise ein Körper aus dem gleichen Material wie der Körper 5, Jedoch ohne die Schicht 6, als Meßobjekt dient. Der vom Meßobjekt reflektierte Lichtstrahl wird dann über den Lichtleiter 7 der Photodiode 8 zugeführt, die hierbei als Photometer verwendet wird. Da für die Messung monochromatisches Licht benötigt wird, ist im Strahlengang das Filter 9 vorgesehen, das aus dem von der Lichtquelle dargebotenen Spektrum die für die Messung gewünschte Wellenlänge herausfiltert. Es sei noch erwähnt, daß sich bei dieser Vorrichtung zur Lichtübertragung sogenannte faseroptische Lichtleiter besonders gut eignen.The luminous flux reaches the test sample via this light guide consists of the body 5 with the transparent layer 6. Often it is also useful to carry out a comparison measurement, in which case, for example, a body from the same material as the body 5, but without the layer 6, serves as the measurement object. The light beam reflected by the object to be measured is then via the light guide 7 of the Photodiode 8 supplied, which is used here as a photometer. As for the measurement monochromatic light is required, the filter 9 is provided in the beam path, the spectrum required for the measurement from the spectrum presented by the light source Filtered out wavelength. It should also be mentioned that in this device so-called fiber optic light guides are particularly suitable for light transmission.

Figur 2 zeigt im Prinzip die gleiche Vorrichtung wie Figur 1, Jedoch erlaubt sie mit ihren zwei Meßsystemen, daß neben der eigentlichen Schichtdickennissung gleichzeitig eiiie Vergleichsmessung durchgeführt wird. Das für die Messung benötigte Licht liefert hierbei die Lichtquelle lo, deren Strahlung mit einer Linse 11 wieder so gebündelt ist, daß der Schnittpunkt des gebündelten Lichtes auf der Stirnfläche 12 der beiden Lichtleiter 13 und 14 liegt. Über den Leiter 13 gelangt das Licht auf das Meßobjekt, dem Körper 15 mit der lichtdurchlässigenSchicht 16. Ebenso wird das Vergleichsobjekt über den Leiter 14 bestrahlt. Die reflektierten Lichtstrahlen gelangen dann über die Leiter 18 bzw. 19 an die Photometer 20 und 21. Auch hier eignen sich als Photometer sämtliche photo-elektrische Bauelemente, wie Photodioden, Phototransistoren oder Photowiderstände. Zur Erzeugung des monochromatischen Lichtes dient wieder ein Filter 22. Bei dieser Ausfdhrungsform der erfindungsgémä#en Vorrichtung können zur Lichtübertragung wiederum die sogenannten faseroptischen Lichtleiter in besonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Denn die Anordnung der einzelnen Fasern kann dabei so gewählt sein, daß beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Me#anordnung die Fasern der Leiter 4-und 7 an ihren Enden in der Nähe des Meßobjektes zu einem gemeinsamen Bündel zusammengefaßt Sind. In gleicher Weise gilt dieses beim Ausführungsbeispiel in Figur 2 für die Leiter 13 und 18 in der Nähe des Meßobjektes, für die Leiter 14' und 19 in der Nähe des Vergleichsobjektes rrnd außerdem für die Leiter 13 Itnd 14 an ihrer gemeinsamen Stirnflache 12. Durch diese konstruktive Maßnahme lassen sich die Lichtverluste nochmals wesentich verringern.In principle, FIG. 2 shows the same device as FIG. 1, however With its two measuring systems, it allows that in addition to the actual coating thickness a comparative measurement is carried out at the same time. The one needed for the measurement Light supplies the light source lo, the radiation of which with a lens 11 again is bundled so that the point of intersection of the bundled light on the end face 12 of the two light guides 13 and 14 is located. The light arrives via the conductor 13 onto the measurement object, the body 15 with the transparent layer 16. Likewise the comparison object is irradiated via the conductor 14. The reflected light rays then reach the photometers 20 and 21 via the conductors 18 and 19, respectively. Here too all photo-electrical components, such as photodiodes, are suitable as photometers Phototransistors or photoresistors. To generate the monochromatic light A filter 22 is again used. In this embodiment of the device according to the invention In turn, what are known as fiber optic light guides can be used to transmit light can be used in a particularly advantageous manner. Because the arrangement of each Fibers can be selected so that, for example, in the one shown in FIG Measure the fibers of the conductors 4 and 7 at their ends in the vicinity of the test object Are combined into a common bundle. This applies in the same way to Embodiment in Figure 2 for the conductors 13 and 18 in the vicinity of the test object, for the conductors 14 'and 19 in the vicinity of the reference object rrnd also for the head 13 Itnd 14 on their common end face 12. Through this constructive measure, the light losses can be significantly reduced again.

Außerdem ist bei Verwendung von faseroptischen Lichtleitern eine Querschnittswandlung des Lichtstrahles durch eine entsprechende Anordnung der einzelnen Lichtleitfasern auf einfache Weise möglich, was dann bei Meßvorrichtungen, mit denen auch kleinste Strukturen gemessen werden sollen, die erforderliche hohe Ausbeute für das von der Quelle ausgesandte und das vom Meßobjekt reflektierte Licht sicherstellt. Denn soll beispielsweise die Dicke eines sehr schmalen Streifens dieser lichtdurchlässigen Schicht bestimmt werden, zum Beispiel eine streifenförmige Isolierschicht auf einem fertiggestellten Transistor, so wird hierbei der Lichtleiter verwendet, der an seinem einen Ende durch eine entsprechende Anordnung der Fasern dem Meßobjekt angepasst ist, um so möglichst dessen gesamte Oberfläche zu erfassen und somit die maximale Lichtausbeute zu erhalten. Damit ergibt sich bei dieser streifenförmigen Struktur des Me#objektes ein Licht leiter, wie er beispielsweise in der Figur 4 gezeigt ist, der an seinem einen Ende einen rechteckförmigen und an einem anderen Ende einen kreisförmigen Querschnitt aufweiset. Eine ähnliche Gestaltung des Lichtleiters ist beispielsweise auch dann vorteilhaft, wemS die lichtempfindliche Oberfläche des Photometers eine Formgebung aufweist, die von der des kreisförmigen Lichtleitdurchemssers stark abweicht. Selbstverständlich können auch hier die Fasern analog zu Figur 3 in der Nähe der Meßprobe und gegebenenfalls auch in der Nähe der Lichtquelle zu einem Bünden zusammengefaßt sein, wobei die Querschnittsform dann den Umständen entsprechend gewählt ist.In addition, when using fiber-optic light guides, there is a change in cross-section of the light beam through a corresponding arrangement of the individual optical fibers possible in a simple way, which is then possible with measuring devices with which even the smallest Structures are to be measured, the required high yield for the by the Source emitted and the light reflected from the measurement object ensures. Because should for example the thickness of a very narrow strip of this translucent Layer can be determined, for example a strip-shaped insulating layer on a completed transistor, the light guide is used here, which is attached to his one end is adapted to the test object by a corresponding arrangement of the fibers in order to cover its entire surface as far as possible and thus the maximum Maintain luminous efficacy. This results in this strip-shaped structure of the measurement object a light guide, as shown for example in Figure 4, which has a rectangular shape at one end and one at the other end having a circular cross-section. One similar design of the Light guide is also advantageous, for example, if the light-sensitive The surface of the photometer has a shape that differs from that of the circular Light guide diameter deviates significantly. Of course, the fibers can also be used here analogous to Figure 3 in the vicinity of the test sample and possibly also in the vicinity of the Light source be combined into a bundle, the cross-sectional shape then is chosen according to the circumstances.

Claims

P a t e n t a n s p r ü 6 h e 1) Device for determining the thickness of translucent layers with an interference method in which the light rays take a predetermined path, characterized in that for the measurement used light the path at least partially through a conductor with light-conducting Properties is given.

2) Device according to claim 1, characterized in that this Head optically separated light paths for the light emitted by the light source and determines the light reflected from the test sample.

3) Device according to claim 2, characterized in that # to enable a comparison measurement, this device is provided in duplicate, one measuring system for determining the measurement object and the other for determining of the object to be compared, and that both systems have what is required for the measurement Receive light from a single light source.

4) Device according to one of the above claims, characterized in that that so-called F fiber optic light guides are provided.

5) Device according to claim 4, characterized in that the fibers the light guide for the transmission of the emitted by the light source and the the light reflected from the test sample at least at their ends in the vicinity of the test sample are combined into a common bundle.

6) Device according to claim 4, characterized in that the light guide a change in cross-section due to a different arrangement of the fibers at both ends of the line having.

7) Device according to claim 6, characterized in that a change is present from a circular to a rectangular cross-section.